Die Kapazität des garnförmigen Superkondensators nimmt im Allgemeinen linear mit der Länge zwischen 10 und 60 cm zu, danach verlangsamt sich der Kapazitätszuwachs. Auch die Frequenz des Stroms hat darauf einen Einfluss. (Bild: Nanfei He, NC State University)
Forscher der North Carolina State University haben bei der Herstellung von Yarn-shaped Supercapacitors (YSC, garnförmige Superkondensatoren) für tragbare Technologien einen Sweet Spot identifiziert, bei dem die Länge des YSC den höchsten und effizientesten Energiefluss pro Längeneinheit ermöglicht.
"Wenn es um die Länge des YSC geht, ist es ein Kompromiss zwischen Leistung und Energie", sagte Wei Gao, korrespondierende Autorin eines Artikels über die Arbeit und außerordentliche Professorin für Textiltechnik, Chemie und Wissenschaft an der NC State. "Es geht nicht nur darum, wie viel Energie man speichern kann, sondern auch um den Innenwiderstand, der uns wichtig ist.
Die Forscher fanden insbesondere heraus, dass YSCs im Bereich von 40 bis 60 Zentimetern die beste Gesamtenergieabgabe liefern. Frühere Forschungen zu YSCs haben unterschiedliche und manchmal widersprüchliche Ergebnisse geliefert, wenn es um die längenabhängige Energieleistung geht. Ziel der neuen Studie war es, so Gao, ein konsistentes, umfassendes Modell zur Erklärung von Veränderungen in der YSC-Leistung in einem breiten Längenbereich zu erstellen.
Woraus bestehen die untersuchten YSCs?
Zu diesem Zweck stellten die Forscher zunächst mehrere YSCs mit Paaren von in Aktivkohle eingebetteten Elektrodenfäden und einem Gelelektrolyten her. Jedes Garn wurde mit Nylonfäden umwickelt, um Kurzschlüsse zu verhindern. Anschließend wurden die beiden Elektroden zusammengelegt und mit dem gleichen Gelelektrolyt beschichtet. Die Forscher erstellten diese YSCs in Segmenten von 10 bis 300 cm Länge und ließen dann elektrische Ströme mit unterschiedlichen Frequenzen durch sie fließen. Auf diese Weise konnten sie zwei Eigenschaften messen: den Innenwiderstand, der angibt, wie stark der elektrische Strom behindert wird, wenn er versucht, durch eine Batterie zu fließen, und die Kapazität, d. h. die Fähigkeit, elektrische Energie zu speichern.
Die Forscher stellten fest, dass die Kapazität im Allgemeinen linear mit der Länge zwischen 10 und 60 cm zunahm, danach verlangsamte sich der Kapazitätszuwachs mit zunehmender Länge erheblich. Die Ergebnisse wurden auch von der Frequenz des Stroms beeinflusst, d. h. von der Geschwindigkeit, mit der der elektrische Strom schwingt. Je nach elektrischer Frequenz des Stroms nahmen die Kapazitätsgewinne bei den YSCs bis zu einer Länge von 300 cm ab, wobei einige bei etwa 150 cm ein Plateau erreichten. Mathematische Modelle zeigten auch, dass YSCs zwischen 40 und 80 cm den geringsten Innenwiderstand aufwiesen, was die Forscher zu der Feststellung veranlasste, dass 40 bis 60 cm die effizienteste Gesamtlänge war.
Deep Dive: Die Chemie hinter dem garnförmigen Superkondensator
Die YSCs in dieser Studie bestehen aus zwei identischen Aktivkohle (AC)-inkorporierten Elektrodengarnen und einem PVA/LiCl/H2O-basierten Gelelektrolyten. Konkret wurden mit AC-Partikeln (Kuraray Co., LTD, 50 Gew.-%) beschichtete 1k-Kohlenstofffasern (AC/CF) mit Wolfram (W)-Multifilamenten (12 × 40 μm) verdrillt, die als Stromkollektoren mit einem elektrischen Widerstand von 3,0 Ω/m fungieren. Eine bestimmte Verdrillung (4 Verdrillungen/cm) wird eingesetzt, um einen angemessenen Druck zwischen den W-Filamenten und AC/CF zu erzeugen.
Das Ziel: Den Energiespeicher in Kleidung integrieren
Die Hauptautorin Nanfei He, Postdoktorandin an der NC State University, sagte, die Studie sei Teil eines größeren Projekts zur Entwicklung von YSCs, die in Kleidung integriert werden können. "Die Identifizierung der optimalen Länge von YSCs ist entscheidend für deren effektive Nutzung und leitet die Entwicklung von Strategien für die nahtlose Integration in Textilien", sagte He.
Die Studie wurde vom U.S. Army Research Office finanziert, und Gao sagte, sie könne sich vorstellen, dass frühe Anwendungen für YSCs hauptsächlich auf das Militär ausgerichtet sein werden. "Stellen Sie sich vor, Sie können ein Garn herstellen, ein normales Textilgarn, aus dem Sie auch eine Batterie machen können", sagte Gao. "Man kann es im Grunde in seiner Kleidung verstecken. Wenn man das kann, kann man seiner Kleidung so viele weitere Funktionen hinzufügen."
Stand und Weiterentwicklung der YSC-Technologie
Es muss noch mehr Arbeit geleistet werden, bevor YSCs für praktische Anwendungen in Frage kommen.
"Die Technologie ist noch nicht ausgereift, und deshalb gibt es so viele Mittel und so viel Interesse an ihrer Entwicklung", sagte Gao. "Wir können zwar Garnbatterien herstellen, aber können wir sie auch dauerhaft, zuverlässig und sicher machen? Können wir sie abwaschbar machen? Wenn man sie am Körper tragen will, gibt es neben der Energiespeicherfunktion noch so viele andere Herausforderungen. Im Moment konzentrieren wir uns auf den Aspekt der Zuverlässigkeit: Wir müssen sicherstellen, dass das Garn auch dann noch funktioniert, wenn man es verdreht und bewegt. Das und die Sicherheit sind die Hauptprobleme, und ich denke, sobald wir diese beiden Aspekte erreicht haben, wird sich der Anwendungsbereich um ein Vielfaches erweitern."
Die Arbeit mit dem Titel „Modeling of yarn-shaped supercapacitors - Unraveling its length dependent output“ wurde im Journal of Power Sources veröffentlicht. Der Artikel wurde von Nanfei He, einem Postdoktoranden am NC State, Xi Zhang, einem Forscher am Yancheng Institute of Technology, sowie Junhua Song und Feng Zhao von Storagenergy Technologies, Inc. verfasst.
Die Arbeit wurde mit Unterstützung des U.S. Army Research Office unter den Förderungen W911NF19C0074 und W911NF18C0086 durchgeführt.